许仁忠：19世纪的欧洲科学技术与第二次工业革命 (137)

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（续）第十一篇 教学相长   学在教中 — 我的教学心得与感悟

19世纪的物理学在它的各个领域，包括力学、热学、电学、光学等各方面，都有惊人的科学发现和技术发展，辉煌的科学成果开创了物理学在19世纪的惊人发展，也掀败开了第二次工业革命的序幕。首先是电磁感应，它直接带来了电气革命，使欧洲和全世界的工业发展出现了一个崭新的局面。

奥斯特“电流使小磁针偏转”确认电流可以产生磁也就是“电流效应”，那么磁是否能产生电流呢？法拉第坚信磁能生电，因为他相信自然力是统一的，任何一种物理关系即因果关系，都应存在它的反作用即对称性，自然界应该是和谐统一的。

美国科学家克拉顿首先进行了实验。为了避免做实验时磁棒对电流表的干扰，他特意把电流表放到隔壁的房间里，然后在使磁棒插入或拔出线圈之后，一次次的跑到隔壁的房间观察是否有电流的产生，但是都失败了，实验的设计是失败的原因，因为磁生电是瞬时的，到另一个房间去看电流计的时候，瞬时产生的电流已不存在。克拉顿的实验失败了，但是法拉第依然坚信“磁能生电”，前后经过10年之久“电流效应”的逆效应“磁生电”现象终于被发现了，法拉第认识到“磁生电”是一种在变化和运动过程中才能出现的效应。

这个发现后来被称为电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律，电磁感应现象是因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流，产生的电动势称为感应电动势。只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生。这种现象称为电磁感应现象，所产生的电流称为感应电流。

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。法拉第电磁感应定律的重要意义在于，一方面，依据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，电能的大规模生产和远距离输送成为可能；另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用，人类社会从此迈进了电气化时代。由法拉第电磁感应定律因电路及磁场的相对运动所造成的电动势，是发电机背后的根本现象。当永久性磁铁相对于一导电体运动时，就会产生电动势，电流就会产生并因此产生电能，把机械运动的能量转变成电能。

机械能能转换为电能，也能转换为热能，电能和热能转化为机械能也很普遍，这是19世纪的物理学家们开始关注能量的转换，最终能量守恒定律被发现：“能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这个规律叫作能量守恒定律。”

能量是物质运动转换的量度，简称“能”，能量是表征物理系统做功的本领的量度。能量以多种不同的形式存在，按照物质的不同运动形式分类，能量可分为机械能、化学能、内能、电能、辐射能、核能。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化，各种场也具有能量。能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一，它也可以表述为：一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、内能及除机械能和内能以外的任何形式能量的总和。如果一个系统处于孤立环境，即不可能有能量传入或传出系统，能量守恒定律表述为：“孤立系统的总能量保持不变。”

热力学第一定律是热现象领域内的能量守恒和转化定律，反映了不同形式的能量在传递与转换过程中守恒，它被表述为：物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和，即热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。“第一类永动机是不可能造成的”是热力学第一定律的另一种表述方式，在第一定律确立前，曾有许多人幻想制造一种不消耗能量但可以作功的机器，称为第一类永动机，热力学第一定律终结了这种愚昧的行为。

19世纪物理学的巅峰是麦克斯韦的电磁场理论，麦克斯韦全面地总结了电磁学研究的全部成果，建立了完整的电磁场理论体系。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。麦克斯韦的电磁场有人指出，变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场，电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦继承并发展了法拉第思想，采用严格的数学形式,将电磁场的基本定律归结为4个微分方程，人们称之为麦克斯韦方程组。

麦克斯韦对这组方程进行了分析，预见到电磁波的存在，他断定电磁波的传播速度为与光速接近的有限值，并且认为光也是某种频率的电磁波。1887年，海因里希·鲁道夫·赫兹用实验方法产生和检测到了电磁波，证实了麦克斯韦的预见。1905～1915年间，A.爱因斯坦的相对论进一步论证了时间、空间、质量、能量和运动之间的关系，说明电磁场就是物质的一种形式，麦克斯韦的学说得到了公认。

19世纪的化学成果是相当斐然的，首先是道尔顿的原子理论。原子理论是英国科学家道尔顿在十九世纪初提出来的，道尔顿原子论认为，物质世界的最小单位是原子，原子是单一的，独立的，不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。道尔顿原子理论，是人类第一次依据科学实验的证据，成系统的阐述了微观物质世界，是人类对认识物质世界的一次深刻的，具有飞跃性的成就。道尔顿的原子理论指出，物质是由具有一定质量的原子构成的；元素是由同一种类的原子构成的,；化合物是由构成该化合物成分的元素的原子结合而成的“复杂原子”构成的；原子是化学作用的最小单位，它在化学变化中不会改变。

1803年9月，道尔顿利用当时已掌握的一些分析数据，计算出了第一批原子量。1803年10月21日，在曼彻斯特的“文学和哲学学会”上，道尔顿第一次阐述了他关于原子论以及原子量计算的见解，并公布了他的第一张包含有21个数据的原子量表。在这份报告中道尔顿已经概括了科学原子论的以下三个要点：元素（单质）的最终粒子称为简单原子，它们极其微小，是看不见的，是既不能创造，也不能毁灭和不可再分割的。它们在一切化学反应中保持其本性不变；同一种元素的原子，其形状、质量和各种性质都是相同的；不同元素的原子在形状、质量和各种性质上则各不相同。每一种元素以其原子的质量为最基本的特征；不同元素的原子以简单整数比相结合，形成化学中的化合现象。化合物原子称为复杂原子。复杂原子的质量为所含各种元素原子质量的总和。同一化合物的复杂原子，其组成、形状、质量和性质必然相同。

元素周期表的编制19世纪化学的又一重大成果。俄国科学家发现并归纳元素周期律，依照原子量，制作出世界上第一张元素周期表，并据以预见了一些尚未发现的元素。他的名著《化学原理》被国际化学界公认为标准著作，前后重版八次，影响了一代又一代的化学家。门捷列夫对化学这一学科发展最大贡献在于发现了化学元素周期律。他在批判地继承前人工作的基础上，对大量实验事实进行了订正、分析和概括，总结出这样一条规律：元素以及由它所形成的单质和化合物的性质随着原子量的递增而呈周期性的变化。他根据元素周期律编制了第一个元素周期表，把已经发现的63种元素全部列入表里，从而初步完成了使元素系统化的任务。他还在表中留下空位，预言了类似硼、铝、硅的未知元素的性质，并指出当时测定的某些元素原子量的数值有错误。

门捷列夫在发现周期律及制作周期表的过程中，除了不顾当时公认的原子量而改排了某些元素的位置外，并且考虑到周期表中合理的位置，修订了其他一些元素的原子量，而且预言了一些元素的存在。在1869年的元素周期表中，门捷列夫为4种尚未被发现的元素留下空位。1871年他又发表论文《元素的自然体系和运用它指明某些元素的性质》，对一些元素，例如，类铝、类硼和类硅的存在和性质以及它们的原子量做了详尽的预言。这样的空位共留下6个。门捷列夫的这些推断为后来的化学实验所证实。

（未完待续）

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